膨胀型防火涂料施工工艺及对涂层性能的影响
2021-06-21 13:20 浏览:277
膨胀型防火涂料施工工艺及对涂层性能的影响
杨红涛1，姜清淮2，王明强2，赵 薇2，李志士2，王华进2
(1.航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，西安 710089；2.海洋涂料国家重点实验室，海洋化工研究院有限公司，山东青岛 266071)
2.2 黏结强度
0 前 言
建筑中常选用膨胀型防火涂料作为钢结构的防火保护，同时，膨胀型防火涂料还适用于石化、飞机、船舶、航空等特殊领域中。防火涂料在遇火时形成膨胀碳层，膨胀碳层能够起到阻燃、隔热的作用，对基材施行有效的防火保护。目前，我国建筑中的防火涂料主要遵循GB 14907—2002《钢结构防火涂料》的国家标准，该标准颁布实施已有10多年的历史。该标准对防火涂料的不同应用环境和涂料自身特性分为室内型、室外型，或超薄型、薄型、厚型。除厚型防火涂料外，薄型、超薄型防火涂料均为膨胀型防火涂料。由于密度大、使用寿命等原因，厚型防火涂料的应用逐渐减少。目前市场以膨胀型防火涂料为主。
经过多年的发展，目前市场主要有单组分溶剂型防火涂料、水性防火涂料、双组分环氧无溶剂型防火涂料以及各类根据不用使用要求的防火涂料。尽管防火涂料属于市场成熟产品，防火涂料防火性能、生烟性能的研究较多，但是对于施工工艺的探讨较少，涂层的施工工艺参数主要依据经验和肉眼判断，不同施工工艺参数对于涂层的性能影响系统研究较少。同时，在施工过程中，为缩短施工周期，节省时间，进行涂层施工参数的影响研究，而对后期的涂层性能影响无深入研究。
本文主要关注不同的施工工艺参数，对防火涂料涂层的性能影响。分别选用不同的涂敷间隔、养护温度、养护周期等参数，测试涂层防火性能、干燥时间、黏结强度、耐水性、耐水性测试后的黏结强度、防火性能。通过测试结果分析，可以根据施工条件选择合适的施工工艺参数。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
膨胀型防火涂料、防火涂料专用稀释剂，海洋化工研究院有限公司。
喷涂设备高压无气喷涂，固瑞克公司，X60DL3，喷涂压力4～6 MPa，喷枪口径1.8～2.0 mm。
1.2 实验方法
防火涂料采用喷涂施工，每道施工厚度约为0.15～0.2 mm，控制终涂层厚度为2 mm，选用不同的施工间隔和干燥时间来调整施工工艺参数。常温施工和保存均置于恒温恒湿室中，温度(25±2) ºC，湿度40%±5%。具体施工参数调整见表1。
1.3 性能测试
防火涂料的理化性能测试参考GB 14907—2002《钢结构防火涂料》中室内超薄钢结构防火涂料(NCB)的要求，具体测试性能、指标要求如表2。本文主要关注涂层的干燥时间、黏结强度、耐水性、耐火性能等重要性能指标。
防火性能测试使用小型燃烧炉，对膨胀型防火涂料进行纤维素火模拟钢梁的防火性能测试，升温曲线符合纤维素火升温曲线，样品涂覆于钢板表面，干膜厚度0.8 mm，记录钢板的升温曲线。
2 结果与讨论
防火涂料的施工工艺将影响涂料的终性能。通过调整施工工艺参数实验，可确定简便的施工条件并获得涂层的优性能。
2.1 干燥时间
涂层的表干时间符合要求，但表干、实干时间有所不同，具体测试结果见表3。使用烘干的方式，会加速稀释剂的挥发，减少实干时间。同时，每天2道的施工方式，尽管会缩短施工周期，但是会延长涂层养护时间。采用烘干的施工方式，适合施工周期短、养护时间长的施工要求。
调整涂层的施工间隔，使涂膜在不同状态下进行二次施工，包括湿碰湿技术、干碰湿技术。一般来讲，湿碰湿技术会增加涂层的层间附着力，但由于防火涂料为溶剂型体系，溶剂挥发不完全就进行二次施工会导致涂层出现部分区域起泡、实干时间延长等问题。干碰湿技术则不会出现类似问题，但会延长涂层的施工时间，增加施工成本。对不同施工条件的防火涂料涂层进行黏结强度测试，测试结果如表4。
根据黏结强度的测试结果，分析可知，延长涂层的施工间隔，会增加涂层的黏结强度，尽管湿碰湿技术，理论上会增加层间附着力，但由于溶剂型体系，溶剂挥发不完全就进行二次施工，反而会降低层间附着力。同时，高温烘干会增加涂层的黏结强度，缩短施工时间。但由于需要使用烘干设备，会增加能源损耗，同时不适用于尺寸较大部件的施工。
2.3 耐水性
在配方相同的情况下，涂层的耐水性主要依赖于涂层自身的封闭性，溶剂挥发不完全，涂层有缺陷等问题会导致涂层耐水性的下降。不同施工条件下的涂层耐水性见表5，30 d后结束测试。尽管均能满足耐水24 h的指标要求，但延长测试时间后，涂层的耐水性略有不同。根据测试结果，每天2道、常温干燥的施工工艺，耐水性较每天1道、常温干燥的施工工艺差一些，这是由于涂层中溶剂未能完全挥发的缘故。同时，延长涂层的养护时间，使溶剂挥发完全，会增加涂层的耐水性。
2.4 防火性能测试
2.4.1 防火性能测试
防火性能测试使用小型燃烧炉，对膨胀型防火涂料进行模拟钢梁的防火性能测试，升温曲线符合纤维素火升温曲线，样品涂覆于钢板表面，干膜厚度0.8mm，记录钢板的升温曲线。涂敷防火涂料钢板背温达到500 ℃的时间如表6。从所得数据可以看出，当涂层实干后，不同施工工艺对防火涂料的防火性能无明显影响，防火性能基本保持一致。
2.4.2 耐水7 d后防火性能测试
耐水7 d后，取出防火涂料样品，置于室温下24 h后进行防火性能测试，与耐水测试前的样品，进行防火性能对比，背板升温曲线见图1。
根据测试结果，经过耐水7 d后，防火涂料的防火性能略有下降。同时，对耐水性之后样品的黏结强度进行测试，耐水测试后样品常温放置24 h和7 d后的黏结强度测试，耐水测试后涂层的粘结强度均出现下降，常温放置7 d后，黏结强度有所回升，可能由于浸入涂层的水分挥发殆尽，涂层内部恢复致密性，黏结强度增加，但始终无法增加至耐水测试前的黏结强度。
1号、4号、7号、9号样品耐水前后防火测试的膨胀碳层如图2。
防火涂料耐水后膨胀碳层高度均有所下降，碳层均匀度保持不变，膨胀碳层高度下降，导致防火性能的下降。分析原因，是由于防火涂料中使用的膨胀阻燃体系，聚磷酸铵易溶于水，耐水测试时会溶剂，降低涂层中的含量，导致终防火性能下降。
防火涂料耐水后膨胀碳层高度均有所下降，碳层均匀度保持不变，膨胀碳层高度下降，导致防火性能的下降。分析原因，是由于防火涂料中使用的膨胀阻燃体系，聚磷酸铵易溶于水，耐水测试时会溶剂，降低涂层中的含量，导致终防火性能下降。
2.5 综合结果对比
不同施工条件防火涂料的性能对比如表8。从表8中数据可以看出，不同施工条件对防火涂料的干燥时间、黏结强度、耐水性有所影响，对涂层的防火性能无明显影响。耐水7 d后，防火涂料的防火性能、黏结强度均有所下降，但随着时间的增加黏结强度会有所回升。
对比不同的施工条件，常温养护的1～6号样品中，3号样品(每天1道，常温养护21 d)的黏结强度、耐水性、耐水后的黏结强度均有较好表现，证明在常温养护的施工工艺中，延长涂层涂敷间隔，增加养护时间，对涂层性能会有所提高。采用60 ℃烘干工艺的7～10号样品中，8号样品(每天1道，60 ℃烘干2 h)的黏结强度、耐水性之后的黏结强度有着较好表现，表明延长涂层的涂敷间隔，增加烘干时间，涂层会表现出较好的性能。
综合以上数据结果，对于膨胀型防火涂料的施工工艺，延长涂敷间隔，延长养护期，会增加涂层的各项性能。采用常温养护的工艺，需要延长养护时间，会增加施工周期；采用烘干的养护工艺，可缩短施工周期，但会相应增加能耗，同时需要设备支持。因此在设备齐全的情况下，短施工周期适合选用烘干工艺，长施工周期可选用常温养护工艺。
3 结 语
本文主要讨论了不同施工工艺对膨胀型防火涂料的各项性能影响，通过调整施工周期、养护周期、养护温度等性能条件，关注防火涂料涂层的各项性能影响。测试结果表明，不同施工工艺对涂层的防火性能无明显影响，对涂层的耐水性、黏结强度有所影响。延长涂层的涂敷间隔，延长涂层的养护周期，会增加涂层的性能。同时，采用烘干工艺可缩短施工周期，同时获得较好的涂层性能。在设备允许的情况下，短施工周期适合选用烘干工艺，长施工周期可选用常温养护工艺，每天1道的施工方式会让涂层具有较好的综合性能。